□생태학에서의 시스템과 상호의존성□에 대한 토론문

고등과학원 (KIAS) 물리학부 교수 박형규

목  차

1. 복잡성 과학의 핵심질문

2. 거시적 성질과 협동현상

3. 자기조직화와 적응

4. 순환적 연결고리

1. 복잡성 과학의 핵심질문

우리가 살고 있는 세상은 매우 복잡하고 계층적인 구조를 갖고 있다. 수많은 별과 행성, 위성, 구름, 흙, 물, 생명체, 궁극적으로는 소립자들로 이루어진 우주, 수많은 종(種)들 사이에 생태적 지위, 먹이 사슬 등으로 복잡하게 얽혀 있는 생태계, 소비자로부터 중소기업, 대기업, 거대한 국제 기업에 이르기까지 복잡한 계층구조를 갖고 있는 경제계,  다양한 기초기술과 응용기술, 고급기술들이 결합하여 이루어진 기술계들은 각 계를 구성하고 있는 인자(agent)들 사이에 매우 복잡한 연결망(network)을 구성하고 있다. 수많은 인자들로 복잡하게 얽혀있는 이러한 다체계(many body system)들은 어떠한 보편적인(universal) 구조적 특성을 지니고 있는 것인가? 아니면 각 계는 서로 다른 특성을 가지고 있으며, 보편적인 틀(formalism)로 이해할 수 없이 단순히 복잡하기만 한 것인가?  또 현재의 다체계들은 물리적인 법칙에 의해 필연적으로 형성된 것인가, 아니면 우연의 산물인가?

동력학적인 측면으로 이러한 계들을 관찰하면, 이 계들이 끊임없이 변화하며 보다 더 복잡하고 고차원적인 새로운 구조들을 창출해 낸다는 사실을 알 수 있다. 생태계에서 진화에 의한 복잡한 생물체의 출현, 별들의 진화에 의한 복잡한 은하계의 출현, 경제계에서 교역의 증대에 의한 화폐, 금융기관, 보험회사, 주식시장의 출현, 사회계에서 부락사회, 고대국가, 현대국가의 출현 등이 그 예이다. 그러면 더 복잡하고 고차원적인 구조란 어떤 의미를 가지고 있는가? 계의 복잡성(complexity)의 정도를 구체적으로 어떻게 규정할 수 있는가? 새로운 구조의 발현이란 복잡성의 증가와 어떤 관련이 있는가?  즉 발현(emergence)이란 무엇이며, 복잡성의 동력학이란 무엇인가?  또 이 복잡한 다체계들이 궁극적으로 다가가려 하는 곳은 어떤 곳이며, 그 곳으로 가게 하는 추진력은 어디에서 나오는가?

이러한 질문들이 복잡한 다체계를 이해하기 위한 핵심적인 질문들이다.

2. 거시적 성질과 협동현상

복잡한 다체계가 나타내는 거시적(macroscopic) 성질들은 그 구성요소인 각 인자들의 미시적 성질들을 단순히 선형적으로 합해 가지고는 결코 이해할 수 없다. 복잡성이란 양도 거시적인 양이며, 아직은 아무도 제대로 된 정의를 내리지 못하고 있다. 먼저 일반적으로 거시적인 양에 대한 이해를 돕기 위해, 물질세계의 다체계를 예로 들어 보자. 액체 상태의 물질이 보이는 출렁거림, 끈적거림 등과 같은, 액체의 고유한 성질인 유동성(fluidity)은 액체 분자들 각각의 성질과는 관계가 없다. 즉 H20 분자로 이루어진 물이나, 탄화수소 분자로 이루어진 오일이나, 용광로에서 녹아있는 상태의 철이나, 출렁거리는 정도와 끈적거리는 정도의 차이가 있을 뿐, 본질적으로 유동성을 갖고 있다는 점에서 동일하다. 액체의 온도를 충분히 내리면 질서정연한 고체 상태로 상전이(相轉移)를 일으킨다. 이 과정동안 계의 구성요소(분자)들은 전혀 바뀌지 않았음에도 불구하고 이 계가 보이는 거시적 성질은 엄청난 변화를 일으킨다.  즉 유동성은 사라지고, 딱딱함, 구부러짐, 뒤틀림 등, 고체의 고유한 성질인 안정성(stability)이 드러난다. 이는 복잡한 계의 거시적 성질들이 구성요소 자체보다는 구성요소들의 연결구조(link structure)에 의존한다는 사실을 말해 주며, 또한 구성요소들의 미시적 성질들이 연결 구조에 따라 비선형적으로 합해져서 거시적인 성질들이 나타난다는 사실을 말해 준다.

물질을 질서정연하게 만드려고 하는 에너지와 무질서하게 만드려고 하는 엔트로피가 경쟁하여 높은 온도에서는 무질서한 액체상태가 되고 낮은 온도에서는 질서있는 고체상태가 된다. 물질을 구성하고 있는 분자들이 서로 협력하여 거시적 구조를 창출해 내는 협동현상(cooperative phenomena)은 모든 다체계가 보이는 일반적인 현상이다. 물질계에서 거시적 성질을 나타내는 양(유동성, 안정성 등)들은 대부분의 경우에 미시적 변수들로부터 잘 정의되기 때문에 실제 물질에 대한 실험을 할 때나, 모형시스템에 대한 이론연구를 할 때, 무엇을 측정하고 계산하여야 하는지 잘 알려져 있다.

따라서, 생태계, 경제계, 기술계 등과 같은 시스템을 이해하려면, 먼저 무엇이 그 시스템의 거시적 성질을 잘 규정할 수 있는지 알아내는 것이 중요하다. 물론 이러한 거시적 양들은 한 가지가 아니며, 연구자가 원하는 바에 따라 다양한 양들을 규정할 수 있을 것이다. 또한 물리학에서처럼 정량적인 연구를 위해서라면 이러한 거시적 양들에 대한 미시적인 정의가 필요하다. 이러한 면에서 거시적인 양을 공부하는 전일적인 접근방법은 미시적인 인자들의 특성이나, 미시적 연결고리의 특성을 알아내는 환원적인 연구와 뗄 수 없는 관계를 가지고 있다. 물론 정성적인 연구를 위해서라면 거시적 양들에 대하여 현상론적으로 접근할 수는 있을 것이다.

상호 의존성이란 이러한 미시적 연결고리의 특성에서 일어나고 있는 물리량(에너지, 엔트로피 등)의 동력학적 전달행태 또는 협동적/배타적 관계를 총칭하는 말인 것 같다. 물질계에서 연구되어온 경험에 의하면, 어떠한 계의 거시적 성질은 이러한 상호 의존성의 자세한 내용보다는 전체적인 분포에 의존한다. 다시 말해서, 모든 연결고리에서 협동적이면 그 강도가 연결고리마다 매우 다르다고 하더라도 거시적인 성질은 본질적인 면에서, 크게 변화하지 않는다. 하지만 협동적/배타적 관계가 마구잡이식으로 분포되어 있으면, 물리학에서 현재 최대 난제의 하나인 소위 스핀 유리(spin glass)문제가 되어 매우 다른 거시적 성질을 보인다. 이 경우에는 준안정적인(metastable) 구조가 수없이 많아, 시스템은 초기조건에 매우 민감하고 동력학적 경로에 따라 매우 다른 거시적 상태에 도달하게 된다.  실제적인 사회계나 생태계는 이러한 스핀 유리계에 보다 가까운 것으로 생각되고 있다. 따라서 어떠한 계의 거시적인 성질을 대략적으로 알기 위해서, 미시적 연결고리들의 특성을 모두 알 필요는 없지만 적어도 그 고리들의 통계적인 분포는 알고 있어야 한다.

일반적으로 생태계, 사회계 등, 매우 복잡한 계에서는, 관심있는 거시적인 양이 무엇인지 규정하기 조차 힘들다. 이는 대부분 무엇을 알고 싶어 하는지 질문이 잘 정립되지 않았기 때문이라고 생각한다. 예를 들어, 생태계에서는 종의 적합성(fitness)이라는 용어가 자주 사용된다. 이러한 미시적 적합성이란 어떻게 정의되는가? 만약 정의된다면, 생태계의 적합성은 종의 적합성의 선형적 합으로 표시되는가? 이렇게 정의한 생태계의 적합성이 생태계의 생존가능성과 부합하는가? 이러한 문제들은 아직 어려운 문제인 것같다.

3. 자기조직화와 적응

생명체가 개입하는 복잡계 (살아있는 계)에서는 대부분 물질계와 전혀 다른 동력학을 보이고 있다. 이 동력학의 주제단어(keyword)는 자체조직화(self-organization)과 적응(adaptation)이다. 최근에 자체조직화 현상은 물질계에서도 많이 발견되었다. 강력한 외부환경의 지배를 받는 비평형 물질계들, 예를 들어, 수많은 광자(光子)들이 발맞추어 움직이는 레이저, 수증기 분자들이 대기와 상호작용하여 일으키는 태풍 등이다. 자체조직화 현상이란, 강력한 외부환경 속에서는 처음에는 무질서하고 구조가 없어 보이던 비평형계도 시간이 지나감에 따라 외부 환경과의 상호작용을 통해, 더욱 복잡하게 구조화가 진행된다는 현상이다.  하지만 이들은 구조적인 복잡성은 가지고 있지만 일단 그 구조에 이르면 더 이상 변화하지 않는다. 즉 더 복잡한 구조로 진화해 나가지 않는다는 면에서 이들의 복잡성은 정체되어 있다. 반면에 살아있는 계는 끊임없이 새로운 구조의 발현을 통해 구조적 복잡성을 증대시켜 나간다. 이러한 현상은 살아있는 계가 외부환경에 대해 끊임없이 적응해나가는 새로운 동력학을 가지고 있음을 시사한다. 예를 들어, 박테리아가 멀리 떨어진 먹이에서 분산되어 나오는 먹이분자들을 감지하여 그 밀도가 보다 높은 쪽으로 이동하는 것도 박테리아 유전자 속에 들어있는 유전정보(내부모형)에 의해 이루어 진다. 이러한 유전정보들은 보다 나은 생존 가능성을 위하여 학습과 진화를 통해 끊임없이 변화해 나가며 더욱 고차원적인 행위를 창출하기 위해 더욱 더 복잡해 진다. 즉 살아있는 계는 외부환경에 적응하기 위해 자신의 구조를 더욱 더 복잡하게 만든다. 살아있는 계가 적응을 통해 자신의 복잡성을 증대시키다가 어떤 임계치에 이르면 더욱 복잡한 새로운 구조(고등 생명체)가 발현하게 되며, 이를 통해 새로운 생태적 지위가 형성되고 계층적 구조를 심화시키게 된다.

복잡계가 보이는 일반적인 구조적 특성은 이미 어느 정도 알려져 있다. 즉 아주 작은 미시적인 구조로부터 거시적인 구조에 이르기까지 모든 크기의 구조가 존재하며, 이러한 구조들이 계층적으로 반복된다는 점이다. 이러한 구조적 모양새를 쪽거리(fractal)라고 부른다. 또한 이러한 구조를 가지고 있는 계는 외부 자극에 매우 예민하게 반응하며 자극을 받은 일부분만이 아니라 계 전체가 외부 자극에 어느 정도 영향을 받는다. 마치 옛날 부락사회일 때는, 지구 한 편에 있는 부락에 커다란 변화가 생기더라도 전 세계에 미치는 영향은 지리적으로 매우 제한적이었지만, 전세계 국가가 교역을 통해 연결망으로 촘촘히 연결되어 있는 현대 사회에서는 작은 국가의 경제적 급변이 전세계적으로 영향을 미치게 되는 것과 같다. 쪽거리 구조가 진화에 의해 보다 심화되면 될 수록 작은 변화가 커다란 재앙을 불러오게 될 수 있으므로, 세계의 안정성을 위해서는 지금과 같은 세계화를 통하여 연결망이 촘촘하여지는 것이 과연 인류에게 좋은 것일까 생각해 본다.

4. 순환적 연결고리

마지막으로 오행에서 나오는 순환적 연결고리는 생명의 기원을 이해하는데 가장 근본적인 현대이론인 자체촉매순환(autocatalytic cylce)과 유사하다. 즉 A가 B를 만들어 내는데 촉매적 역할을 하고, B가 C를 만들어 내는데 촉매적 역할을 하고, C가 D를 등등..., 이 후에 마지막으로 Z가 A를 만들어 내는데 촉매적 역할을 하는 과정으로 인해 전체과정이 닫히게 되면, 즉 순환과정이 되면, A,B,C,...Z 물질들이 계속적으로 증폭 생산되게 되어, 생명체의 근본으로 불리우는 아미노산의 생성이 도저히 확률적으로 일어날 수 없는 우연이 아니라, 필연일 수 밖에 없다는 이론이다. 모든 물질의 근본적 원소를 몇 가지 설정하고 이들의 순환적 고리를 물질세계의 중요한 동력학으로 본 불교에서는 생명출현의 근원을 이미 알고 있던 것이 아닐까?